Aluminium scrap melting under different liquid aluminium flow conditions: part-II: two phase flow

Abstract

This experimental research work deals with aluminium (Al) alloy melting in an Al bath. In this liquid metal, nitrogen gas was introduced at specific locations and at different gas flow rates. The samples employed, along with their position in the liquid Al, and the procedure for melting detection, were identical with the ones utilised in Part I. The introduction of gas into liquid Al has different effects on the melting time of the immersed Al 6061 alloy cylinder. For the range of gas flow rates examined, the addition of gas into a stagnant Al bath (i.e. natural convection conditions) produces insignificant changes in melting time. However, when the liquid Al is moving (i.e. forced convection conditions), the gas addition leads to a sizeable reduction in melting time. The melting time reduction ratio is introduced as a way to compare the melting under single and two phase flow liquid Al conditions. It is found that this ratio is affected by the nozzle position and also by the gas flow rate. The concept of an equivalent single phase velocity is also introduced, and defines the single phase velocity of liquid Al which results in the same melting time of the cylinder as under two phase flow conditions. It is found that the equivalent single phase velocity is influenced by both the gas flow rate and the nozzle position. The parameter which most likely contributes to the acceleration of the melting rate in two phase flow is the turbulence intensity, which is expected to increase due to the nitrogen gas injection.

Ce travail de recherche expérimentale a pour sujet la fusion d’alliage d’aluminium (Al) dans un bain d’Al. Dans ce métal liquide, on a introduit de l’azote gazeux à des endroits spécifiques et à différents débits gazeux. Les échantillons utilisés, ainsi que leur position dans l’Al liquide, et la procédure de détection de la fusion, étaient identiques à ceux de la Partie I. L’introduction de gaz dans l’Al liquide a différents effets sur le temps de fusion d’un cylindre immergé d’alliage d’Al 6061. L’addition de gaz dans un bain stagnant d’Al (convection naturelle) produit des changements insignifiants du temps de fusion dans la gamme des débits gazeux examinés. Cependant, quand l’Al liquide bouge (convection forcée), l’addition de gaz mène à une importante réduction du temps de fusion. On introduit le ″ratio de réduction du temps de fusion″ comme moyen de comparaison de la fusion sous des conditions d’écoulement à une phase ou à deux phases de l’Al liquide. On a trouvé que ce ratio était affecté par la position de la buse et également par le débit gazeux. On introduit également le concept de ″vélocité équivalente à phase unique,″ que l’on définit comme la vélocité à phase unique de l’Al liquide qui résulte dans le même temps de fusion du cylindre que la fusion sous des conditions d’écoulement à deux phases. On a trouvé que la ″vélocité équivalente à phase unique″ était influencée tant par le débit gazeux que par la position de la buse. Le paramètre le plus susceptible de contribuer à l’accélération de la vitesse de fusion dans l’écoulement à deux phases est l’intensité de la turbulence, qu’on s’attend à voir augmenter par l’injection d’azote.

Keywords:

• Two phase flow
• Melting time reduction ratio
• Equivalent single phase flow
• Scrap
• Melting

Acknowledgements

The authors wish to acknowledge the generosity of the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) for the support provided for this project through a Strategic Grant.